开关电源寿命评估

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1、開關電源壽命評估第 1 节 开关电源寿命评估一 电源的寿命的定义和期望寿命众所周知，电子产品的故障如 Bath-tub Curve (图 1,)所示，分为以下三种类型。 减少型(DFR； Decreasing Failure Rate)初期，带有缺陷的部分会发生故障，但随着时间的推移，剩下的都是稳定的部件，故障率亦会 下降。这段时间称为初期故障期。 一定型(CFR; Constant Failure Rate)此时，机器运行稳定，故障率降至一定水平，发生的故障均为随机性事件，称为偶发性故障期。这段时期的稳定度和平均故障时间(MTBF)呈指数式分布。 增加型(IFR； Increasing Fa

2、ilure Rate)故障率逐渐上升。故障发生原因为磨损。多见于风扇电动机的球形轴承及继电器的驱动部位等 处。这种类型的故障具有集中某处发生的特征，一般从初期开始即呈正态分布。因此，可以说寿命就是指机器故障率保持不变的稳定运行时期，也就是偶发故障期。用户对电源的最低寿命的要求各不相同，一般最好考虑为710 年。然而，机器的运行时间因机而异，所以应明确限定期望寿命，并检测设计是否符合寿命标准。表1中列举了几种主要电器的最短寿命。它们是在设定完全使用时间为7 年的前提下，根据各种电器的运行状况推算出来的数据用途必要寿命时间负荷比时间计算pri nter额定负荷 4.200H1最大额定负荷8 2H/

3、天最小额定负荷2H/天使用天数300天/年最大额定负荷寿命 6 H/天X300天/年X7年= 12.600H最小额定负荷寿命 2 H/天X300天/年X7年= 4.200H最大额定负荷12.60 H1PC额定负荷1使用8H/天寿命8H/天X300天/年X7年=16,800HPPC额定负荷556H1PCB个数500,000个/寿命最小负荷时间500,000个X分/个X（H/分）=556H最大额定负荷（8H/天X300天X7年）一556H=16.244H最小额定负荷16.244H0.050.2FAX额定负荷5.500H1最小额定负荷2H/天X365天/年X7年= 5.110H最大额定负荷（24H/

4、天X365天/年X7年）5.110H=56.210H最小额定负荷0.1电源装置的寿命评估电源装置因为处理电流的缘故，所用部件受到的电应力大，发热量高，机器内部温度上升快， 所以寿命评估工作尤显重要。机器的寿命基本上和使用部件的寿命挂钩。部件寿命与热、电应 力成函数关系，其中更以热应力为主。从机器寿命设计的观点来看，如果将所有部件的寿命统一，则能达到理想的最优性价比，但部 件的寿命性能（影响部件寿命的电力、环境特征）相差巨大，因而难以实现。一般来说，尽可 能降低短寿部件的应力，并极限化使用长寿部件，可以实现部件寿命的平均化。电阻类、陶瓷电容器和薄膜电容器等半导体部件不接触强应力，寿命极长，因而可

5、以说下面举 出的部件的寿命才真正决定了电源的寿命。三 决定寿命的主要部件 电解电容器电解电容器的封口部位会漏出气化的电解液，这种现象会随着温度的升高而加速，一般认为温 度每上升10C，泄漏速度会提高至2倍。因此可以说电解电容器决定了电源装置的寿命。 开关晶体管、高速功率二极管 此类部件在性能界限内使用时，基本上可以维持710年的寿命，但电源通断（能量循环）时 产生的物理应力、热应力会导致元件劣化，提前损坏。 风扇球形轴承及轴承的润滑油枯竭、机械装置部件的磨损，会加速风扇的老化。加之近年的DC风 扇的驱动回路开始使用电解电容器等部件，所以有必要将回路部件寿命等因素也一并考虑进 去。 光电耦合器电

6、流传达率(CTR； Current Transfer Rat io )随着时间的推移会逐渐减少，结果发光二极管的电流不断增大，有时会达到最大限制电流，致使系统失控。 开关多数开关电源设有电容器输入型的整流回路，在通入电源时，会产生浪涌电流，导致开关接点 疲劳，引发接触电阻增大及吸附等问题。理论上认为，在电源期望寿命期间，开关的通断次数 约有 5,000 回。 冲击电流保护电阻、热敏功率电阻器为抵抗电源通入时产生的冲击电流，设计者将电阻与 SCR 等元件并联起来使用。电源通入时的 电力峰值高达额定数值的数十倍至数百倍，结果导致电阻热疲劳，引起断路。处在相同情况下 的热敏功率电阻器也会发生热疲劳现

7、象。四 寿命测试4.1 寿命测试的意义为保证装置的寿命，可以从构成装置的部件及材料的寿命来推算装置总体的寿命，从而代替了 对装置本身的寿命测试，然而，推测毕竟只是推测，要想真正保障寿命，就必须切实搞好测试 工作。另一方面，电源机器是整个装置的心脏部位，与其他部分相比，要求有更高的稳定性。 通过统计来确定产品的耐用寿命，本是很普通的工作，但在这里，测试所耗费的样品、时间和 费用等成本颇为可观。要解决这个难题，可以考虑采用以下三种方法： 依据储存数据和过去的实际经验，挑出短寿部件，对其进行专门的寿命测试，从而推算出 整个电源装置的寿命。 严格限制故障标准，从严判定故障。 提高测试时的应力值，或者增

8、加重复电源通断的次数。在易出故障的条件下，缩短检测时间，从严判定故障。第条要求操作者充分把握部件的使用状态，因为万一个别部件所受的应力超过预计，则有可 能导致判断失误。需要注意的是：设计电源装置时必须考虑到所有部分的耐用寿命和稳定性， 所以这种寿命测试不仅可以推算出机器的耐用寿命，更可以有效排除制造商方面的设计失误及 漏洞。电源机器的设计也要考虑到用户的使用条件，但是因为用户未必都能充分把握有关规格 要求，所以测试包括电源装置在内的机器总体的寿命是很有效的手段。这种做法也有利于用户 方面对制造商进行比较，增强厂家竞争力。4.2 故障类型与故障构成 有关寿命的故障类型是指部件故障的外在表现，例如

9、电源装置中出现的输出值下降，输出电压 异常上升等问题。这些类型是部件的故障类型中的短路、开路和特性值改变引起的表现。 故障构成在这里是指引发个别部件的故障的理论模型，也就是说从材料化学、原子分子的层面 上看，部件发生故障的原因是什么。关于故障构成的知识将会在下文中就不同部件详细说明。 要想研究寿命测试的方法，必须先将故障类型与故障构成的相互关系理清。图 2 标明了二者间 的关系。4.3 加速寿命测试 寿命测试需要大量样品和很多时间，故而一般采用加速寿命测试法。4.3.1 加速要求 寿命加速的允许范围是指能够保证随着应力的增强，故障结构不变，而特性值变化的形式、故 障时间的分布、平均寿命和故障率

10、等发生规则变化的条件。应力如果过强，则会导致其它的劣 化现象，所以应留意应力值的设定。4.3.2 劣化反应与加速系数 部件及材料的特性值会随着基本物质的扩散、氧化和再结晶等反应而发生劣化 设特性值为少，反应速度为K, K与少的关系如下：df )/dt二K(1)因此，f )=Kt(2)假设特性值少达到故障标准a时，寿命L就将结束。则由(2)可得f(a)=K L寿命的加速系数AL为AL= LN/L = K/KN(3)LN、KN各为基准值 另，根据阿列里乌斯推论，加速系数为AL = 2/T/B T(4)但，/T = T - TN0 T=T - TNB r= (T TN LN2) /BB：相应的活性化

11、能源除以玻耳兹曼常数所得的特殊常数。(注：玻耳兹曼常数为1.3709X10-10尔格/绝对温度。)TN：标准温度。般电器的er值基本上为10C左右，所以（4）式被称为10C2倍定律，但这种关系式并非 总是能够成立。电子部件在接近常温时，每上升10C，寿命约减少至2/31/2。4.3.3 故障构成与寿命测试 寿命测试的内容依据故障构成来设定。如图3 所示，由5种测试组成。4.3.4 高温断续测试的要求 诸如继电器、开关和电扇等机械性部件，以及功率晶体管，功率二极管等部件的升温现象很严重，因而有必要进行高温断续测试。通过切断和通入输入电源，使元件反复进行升温和冷却的周期循环，从而测得元件对热疲劳的

12、耐力。实际操作时需要重复循环 5， 00010， 000 次。环境温度：5080 C断续循环： 5,00010,000 次检测项目：逐次检测元件的一般性能. 本测试亦可与高温连续测试组合使用。4.3.5 高温连续寿命测试的要求环境温度： 5080C连续通电时间： 1,0003,000 小时检测项目：一般性能（输入电压变化、输出电流变化、脉动电压和输出电压偏差）不同的机器所要求的环境温度及连续通电时间也不尽相同，一般按照下面的方法求出。假定电源装置的机器外部环境温度平均为25C，考虑到机器内部的升温因素，电源周围的温度比机 器外部约高1015C，即3540C。当然，特殊用途的电源不在此限。电源的

13、期望寿命平均为40,000小时，由阿列里乌斯公式可得LN=40,000H, TN=35C, Or=10C, 代入第（3）、（4）式中可得下式：L=40,000 2 （T-35） /10（5）设定环境温度前,有必要了解装置的温度上限。可采用所谓的淘汰测试法,逐级提高温度直至测试对象报废，从而测得对象的耐温上限。电源机器的极限温度为7090C，如果能将环境温度提高到此种程度,则可以加快机器寿命的终结。此外,电解电容器是最脆弱的部件,因而 有必要事先获悉其寿命值，并且在进行测试时，确保基本上不超过其温度上限。例如，设T=75C，则由（5）式可得L=2,500小时。4.3.6 高温高湿测试 针对金属部

14、件的腐蚀、塑料部件的分解等造成的机械强度和绝缘耐力下降等故障，宜进行高温 高湿测试。要求如下：环境温度：4050C相对湿度： 9095%放置时间： 96 小时（通电或不通电）检测项目：按上述要求放置后，取出放置在常温常湿下30 分钟，进行一般 性能、振动测试、绝缘耐力测试和外观检查。4.3.7 温度循环测试环境温度的高低差产生季节裂纹等变温性应力，从而导致焊接、塑模部件发生故障。进行本测 试即是为了检测出这种故障是否存在。要求如下：环境温度：高温 5060C常温 25C低温 510C将测试用电源放入上述三个恒温箱中各 510 小时，重复高温常温低温常温高温的循环3050次。检测项目：一般性能、

15、振动测试和外观检查五 部件的寿命评估5.1 电解电容器 寿命性能 电解电容器的寿命结束形式为磨损故障，决定寿命的主要因素为静电容量、损失角的正切(tan6 )、漏电流等。随着时间的推移，静电容量减少，tan6增大。漏电流在外加电压时 有增加的趋势，所以对负荷的寿命影响不大。 寿命的判定用百分比来表示静电容量相对于起始值的变化率，一般达到一20%以下时即告寿命结束。tan6 的值在超过规定值时寿命结束。漏电流在零负荷的情况下有增加的趋势，同理，在超过规定值 时寿命结束。 影响寿命的主要原因 前面讲到的特性之所以会产生劣化，其主要原因在于电解液。随着温度的上升，电解液气化， 经电容器的封口部位向外泄漏，内部的电解液不断减少。随着电解液量的减少，tanS会逐渐 增大，结果，脉冲电流经由时产生的发热量增大，又进一步加快了劣化过程。这种关系如图 4、 图 5 所示。 寿命的推算 铝电解电容器的近似寿命可以由环境温度与脉冲电流引起的自发热温度中推得。下面的式子表 现了寿命与